Control multi-ax al motorului
În mod tradițional, aplicațiile industriale de control al motoarelor utilizează microcontrolere sau DSP-uri pentru a executa algoritmi complexi necesari pentru controlul motorului. În majoritatea unităților industriale tradiționale, FPGA-urile sunt utilizate cu microcontrolere sau DSP-uri pentru obținerea de date și protecție rapidă. . În plus față de achiziția de date, generarea PWM și logica de protecție, FPGA-urile nu au jucat în mod tradițional un rol major în implementarea algoritmilor de control al motorului.
Metoda de implementare a unui algoritm de control al motorului utilizând un microcontroler sau DSP nu este ușor extinsă la mai multe motoare care funcționează la turații independente (comandă motor multi-axă). MicroSeam SmartSolution SoCFPGA poate fi integrat și integrat cu un motor cu mai multe axe folosind un singur dispozitiv. Control
Controlul poate fi împărțit în două părți. O parte este folosită pentru a rula algoritmi de control orientați pe câmp (FOC), controlul vitezei, controlul curentului, estimarea vitezei, estimarea poziției și generarea PWM; cealaltă parte include profilurile de viteză, caracteristicile de încărcare, controlul procesului și protecția (defecțiuni și alarme). Implementarea algoritmului FOC este critică în timp și trebuie efectuată la rate foarte ridicate de eșantionare (în intervalul microsecundelor), în special pentru motoarele de mare viteză cu inducție scăzută a statorului. Acest lucru face mai avantajos implementarea algoritmilor FOC în FPGA. Controlul proceselor, profilele de viteză și alte protecții nu necesită actualizări rapide, astfel încât acestea să poată fi executate la rate de eșantionare mai mici (în intervalul milisecunde) și pot fi programate în subsistemul Cortex-M3 încorporat.
Perioada de comutare a tranzistorului joacă un rol important în unitate. Dacă timpul de execuție al buclă FOC este mult mai scurt decât perioada de comutare, modulul hardware poate fi refolosit pentru a calcula tensiunea celui de-al doilea motor. Aceasta înseamnă că dispozitivul poate oferi performanțe mai ridicate la același cost.
(1) Modul IP de comandă a motorului. Figura 3 prezintă algoritmul de control orientat pe câmp fără senzori, care este discutat în această secțiune și este furnizat ca un nucleu IP.
● Controler PI. Un controler proporțional-integral (PI) este un mecanism de feedback pentru controlul parametrilor sistemului. Are doi parametri de câștig reglabil - constante de câștig proporționale și integrale - care controlează răspunsul dinamic al controlerului. Componenta proporțională a controlerului PI este produsul constantei de câștig proporțional și intrarea de eroare, iar componenta integrată este rezultatul erorii cumulative și al constantei câștigului integral. Aceste două componente sunt adăugate împreună. Faza de integrare a controlerului PI poate cauza instabilitate în sistem deoarece valorile datelor cresc incontrolabil. Această creștere necontrolată a datelor se numește saturație integrală, iar toate implementările controlerului PI includ un mecanism anti-îngheț pentru a se asigura că ieșirea controlerului este limitată. Modulul IP al controlerului PI al Microsemi utilizează un algoritm de așteptare pentru saturație. Acest modul oferă, de asemenea, funcții suplimentare pentru a seta valoarea inițială de ieșire.
• Controlul orientat pe teren (FOC). FOC este un algoritm care asigură un curent optim la motor prin determinarea independentă și controlul componentelor de curent de cuplu și magnetizare. Într-un motor sincron cu magnet permanent (PMSM), rotorul a fost magnetizat. Prin urmare, curentul furnizat motorului este utilizat numai pentru cuplu. FOC este un algoritm de calcul intensiv, dar designul de referință pentru controlul motorului Microsemi a fost construit pentru o utilizare optimă a resurselor dispozitivului. Algoritmul FOC include transformările Clarke, Park, inverse Clarke și inverse Park.
● Estimarea unghiului. O intrare la FOC este unghiul rotorului. Determinarea precisă a unghiului rotorului este esențială pentru a asigura un consum redus de energie. Adăugarea senzorilor fizici care determină poziția și viteza crește costul și fiabilitatea sistemului. Senzorii fără algoritmi ajută la eliminarea senzorilor, dar și la creșterea complexității computaționale. Microsemi oferă două module de calcul algoritm unghiular pentru control fără senzori - unul bazat pe observatorul Luenberger și celălalt bazat pe calcule directe EMF înapoi. Compania oferă de asemenea un design separat de referință bazat pe senzori Hall și encodere.
● PLL. PLL este utilizat pentru sincronizarea semnalelor și este util în multe aplicații, cum ar fi estimarea unghiului invertorului și sincronizarea rețelei.
● Limitator de viteză. Modulul de limitare a ratei poate implementa modificări netede ale variabilelor sau intrărilor de sistem. De exemplu, într-un sistem de control al motorului, dacă viteza necesară de la motor se schimbă brusc, sistemul poate deveni instabil. Pentru a evita astfel de situații, modulul de limitare a ratei este utilizat pentru trecerea de la viteza inițială la viteza dorită. Modulul de limitare a ratei poate fi configurat pentru a controla rata de schimbare.
● Modularea vectorului spațial. Modulul de modulare vectorial spațial îmbunătățește utilizarea busului DC și elimină impulsurile scurte de la comutatoarele tranzistorice. Deoarece timpul de pornire / oprire a tranzistorului este mai lung decât durata pulsului, impulsurile scurte pot provoca comportamente incorecte de comutare.
● Generarea PWM în trei faze. La sfârșitul tuturor calculelor, este disponibilă o tensiune trifazată a motorului. Aceste tensiuni sunt folosite pentru a genera semnalele de comutare ale tranzistorilor din invertor. Modulul PWM generează semnale de comutare pentru tranzistoarele cu șase (trei laterale și trei laterale) cu caracteristici avansate, cum ar fi timpul mort și inserarea timpului de întârziere. Funcția programabilă de introducere a timpului mort permite evitarea scurt-circuitelor catastrofale pe pinii invertorului. Funcția programabilă de introducere a timpului de întârziere permite măsurătorile ADC să fie sincronizate cu generarea de semnal PWM. Modulul poate fi configurat să funcționeze cu un invertor format numai din N-MOSFET sau un invertor care conține atât N-MOSFET-uri și P-MOSFET-uri.
(2) Debug design FPGA în SoC. În general, depanarea unui design pe un microcontroler este relativ mai simplă decât depanarea pe un FPGA. În SoCs, puteți profita de performanța ridicată a FPGA-urilor, păstrând în același timp avantajele unei depanări mai rapide în microcontrolere. Subsistemul microcontrolerului și arhitectura FPGA din microSiteFlash2 SoCFPGA Microsemitech SmartFusion2 pot comunica între ele prin magistrala AMBAAPB sau AXI. Acest lucru permite ca datele de testare să fie injectate în țesătura FPGA sau să se depaneze datele din țesătura FPGA pentru a ajuta la vizualizarea datelor interne pentru runtime și pentru depanarea în timp real. Codul firmware poate fi rulat într-un singur pas și punctele de întrerupere pot fi setate în cod pentru a analiza datele din registrul FPGA.
Soluția de control al motorului cu mai multe axe, bazată pe SmartFusion2 SoCFPGA, este conectată la PC-ul gazdă prin USB și comunică cu interfața grafică (GUI) pentru pornirea / oprirea motorului, setarea valorilor turației motorului și a altor parametri ai sistemului și redactarea a patru variabile ale sistemului, cum ar fi viteza motorului, curentul motorului și unghiul rotorului (figura 4).
(3) Ecosistemul. Microsemi oferă un bogat set de biblioteci IP, inclusiv mai multe funcții de control al motorului discutate mai devreme. Aceste module pot fi ușor personalizate și pot fi portate în dispozitive Microsemi. Aceste module pot fi configurate grafic și conectate utilizând instrumentul SmartDesign din programul LiberoSoC. Cu ajutorul acestor blocuri IP, proiectanții pot reduce în mod semnificativ timpul necesar implementării algoritmilor de control al motorului într-un FPGA.
Aceste module IP au fost testate pe motoare care rulează cu frecvență de comutare de până la 30.000 r / min și 200 kHz.
Protocolul de comunicare industrială
Tendința rețelelor industriale este de a înlocui comunicațiile punct-la-punct prin utilizarea mai rapidă a comunicațiilor în rețea. Realizarea unor astfel de comunicații de mare viteză necesită suport pentru o lărgime de bandă mai mare, ceea ce nu este ușor pentru microcontrolere sau DSP care procesează simultan algoritmi de control al motorului. În majoritatea cazurilor, un microcontroler suplimentar sau FPGA este utilizat pentru a trata comunicarea cu fiecare controler de motor. Protocoalele bazate pe Ethernet utilizate în mod obișnuit sunt standardele PROFINET, EtherNet / IP și EtherCAT, care sunt încă în evoluție. Alte protocoale includ CAN și Modbus. Avantajul utilizării SoC-urilor în acest caz este de a suporta mai multe standarde Ethernet industriale pe o singură platformă FPGA.
În funcție de scopurile sistemului final, costul sistemului poate fi optimizat prin reutilizarea stivelor IP și a protocoalelor (pentru comunicații) sau prin delimitarea atentă a funcționalității în hardware (FPGA) și software (subsistemul ARMCortex-M3).
FPGA-urile SmartFusion2 ale Microsemi au module integrate CAN, de mare viteză USB și Gigabit Ethernet ca parte a subsistemului microcontroler. Modulul SERDES de mare viteză este utilizat pentru implementarea protocoalelor care implică transfer de date în serie.
Siguranță
Dispozitivul SmartFusion2 SoCFPGA are mai multe caracteristici de design și securitate a datelor. Caracteristicile de design, cum ar fi protecția anti-tamper de certificare DPA și caracteristicile de criptare, pot ajuta la protejarea proprietății intelectuale a clienților. Dispozitivele SoCFPGA includ, de asemenea, caracteristici de securitate a datelor cum ar fi acceleratoarele hardware ECC, serviciile AES-128/256 și SHA-256. Pentru securitatea datelor, pot fi utilizate componente de securitate software EnforcITIPSuite și CodeSEAL. EnforcITIP include un kernel personalizabil (ca o listă netă) care mută efectiv stratul de securitate pe hardware. CodeSEAL injectează contramăsuri în firmware, poate fi utilizat independent sau poate fi folosit ca un accesoriu al EnforcIT.
Flexibilitatea implementării protocoalelor permite proiectanților să utilizeze mai multe straturi de securitate pentru a autentifica informațiile care intră într-un controler central de monitorizare.
fiabilitate
Creșterea standardelor de securitate pe mai multe piețe determină cererea de fiabilitate ridicată. SmartFusion2 este conceput pentru a răspunde nevoilor de sisteme de disponibilitate ridicată, critice de securitate și critice ale misiunii. Următoarele sunt câteva dintre caracteristicile de fiabilitate oferite de SmartFusion2 SoCFPGA.
(1) Configurația ratei de imunitate FIT cu un singur eveniment (SEU). Funcționarea de înaltă fiabilitate necesită configurarea FPGA a ratei imediate a FIT zero FIT, arhitectura SmartFusion2 are imunitate față de radiația alfa sau neutronă, deoarece folosește memoria flash pentru a configura tranzistoarele utilizate în matricile de rutare și blocurile logice. SRAM-urile bazate pe FPGA pot avea o rată FIT (eșec de timp) la nivelul mării de 1k până la 4k, care este mult mai mare la 5000 de metri deasupra nivelului mării. Aplicațiile de înaltă fiabilitate pot accepta rate FIT sub 20, făcând SmartFusion 2 ideal pentru aceste aplicații.
(2) Protecția EDAC. Dispozitivele SmartFusion2 au un controler de detectare și corectare a erorilor (EDAC), care previne erorile de răsturnare cu un singur eveniment în memoria subsistemului microcontroler (MSS).
(3) Nici un dispozitiv de configurare externă. În sistemele complexe cu un număr mare de FPGA, utilizarea dispozitivelor configurate extern reduce fiabilitatea. La pornire, FPGA-urile necesită timp pentru configurare, ceea ce introduce complexitatea design-ului în aplicațiile care utilizează mai multe dispozitive FPGA. FPGA SmartFusion2 SoC FPGA include o memorie de configurare în interiorul dispozitivului, care oferă avantajul suplimentar de a-l porni atunci când dispozitivul este alimentat.
(4) Dispozitive de clasă de temperatură militară. Dispozitivul SmartFusion2 SoCFPGA este complet testat pentru condiții de temperatură militare. Dispozitivele militare au unități logice de 10k și 150k cu caracteristici de securitate și caracteristici de securitate a datelor care permit accesul la acceleratoarele criptografice.
în concluzie
Sistemul Microsemitech SmartFusion2 SoCFPGA utilizează câteva blocuri IP de control optimizate ale motoarelor și modele de referință dovedite pentru a furniza mai multe caracteristici care reduc costurile totale ale proiectelor industriale. Clienții care migrează de la microcontroler vor putea reutiliza o parte din codul vechi, iar designerii FPGA vor putea să folosească țesătura FPGA și subsistemul ARMCortex-M3 pentru a crea o arhitectură eficientă care să permită modulului de comandă al motorului și modulului de comunicație să locuiască simultan într-un singur dispozitiv. prezența subsistemului microcontroler ARM Cortex-M3 permite proiectarea flexibilă și partiționarea inteligentă în timp ce se optimizează performanța și costurile. Subsistemul microcontrolerului, de asemenea, injectează și înregistrează datele la timpul de execuție pentru a accelera depanarea design-ului FPGA. Platforma SmartFusion2 oferă, de asemenea, o gamă largă de opțiuni pentru implementarea protocoalelor de comunicare industrială. Oferă, de asemenea, mai multe caracteristici de securitate pentru design și securitatea datelor, precum și caracteristici care îndeplinesc cerințele de fiabilitate ridicată. Familia de dispozitive SmartFusion2 este susținută de un puternic suport ecosistem pentru a ajuta clienții să dezvolte soluții industriale cu un minim de TCO.
